保護性氣氛真空熱處理技術(shù)應(yīng)用研究

趙向東

（新疆眾和股份有限公司烏魯木齊 830013）

1 前言

真空熱處理技術(shù)是真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合的熱處理技術(shù)，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，熱處理工藝的全部和部分在真空狀態(tài)下進行，熱處理質(zhì)量大大提高。

真空熱處理是功能性鋁加工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝過程的重要環(huán)節(jié)。相比較基于鋁及鋁合金的強度、塑形、韌性、比強度等力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)材料，功能性鋁加工產(chǎn)品是基于鋁的低電阻率，主要是利用鋁及其氧化物特有介電特性。鋁在空氣環(huán)境下極易氧化，并生成一層致密的氧化膜，耐腐蝕性強，鋁的結(jié)構(gòu)材料，如鋁合金門窗等，正是利用了這一特性而在日常生活中獲得了廣泛的應(yīng)用。功能性鋁加工制品為了獲得特定優(yōu)越的介電性能，必須進行熱處理，以使產(chǎn)品內(nèi)部微量元素均勻分布，并調(diào)整內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。如果在空氣環(huán)境下進行熱處理，會使產(chǎn)品表面過度氧化，并嚴(yán)重影響到后續(xù)的生產(chǎn)工藝過程，因此，必須在真空環(huán)境下進行熱處理。

傳統(tǒng)的功能性鋁加工制品的真空熱處理是利用真空旋片泵和真空增壓泵、真空擴散泵將熱處理爐內(nèi)的真空度抽至6.7×10-2Pa以上的高真空度，然后將爐內(nèi)溫度通過電加熱方式升至工藝需要的溫度，在真空環(huán)境下通過輻射方式對鋁加工制品進行加熱和熱處理，熱處理工藝執(zhí)行完畢后，停止加熱保溫，自然冷卻至工藝要求的溫度后出爐并進行后續(xù)工序的加工。

2 傳統(tǒng)真空退火技術(shù)的缺陷

加熱過程中熱量傳遞的方式有輻射、對流和傳導(dǎo)三種方式，真空環(huán)境下，熱量傳遞的方式為輻射方式，熱輻射方式的加熱效率相比熱對流和熱傳導(dǎo)兩種加熱方式很低，且材料的內(nèi)外部溫差大，冷卻階段靠自然降溫耗時很長?？傊?，傳統(tǒng)的真空熱處理方式生產(chǎn)率低下，材料的內(nèi)在質(zhì)量一致性差，制約了功能性鋁加工制品的生產(chǎn)效率提升和產(chǎn)品質(zhì)量提升。

經(jīng)過監(jiān)測和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)真空退火爐同爐次里產(chǎn)品退火過程中的溫差均在5～25℃之間，對產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的影響，退火溫度低造成產(chǎn)品內(nèi)在性能指標(biāo)不合格，退火溫度高造成卷狀產(chǎn)品的出現(xiàn)，類似燒結(jié)粘連。

真空輻射加熱過程中，卷狀鋁產(chǎn)品的受熱方式為從端部向中心傳導(dǎo)，造成整個鋁箔卷受熱的不均勻；此外，輻射加熱方式的特點使得對加熱器的布局方式和加熱性能及鋁產(chǎn)品在爐內(nèi)生產(chǎn)擺放位置的差異等都很敏感，這些情況也進一步加劇了退火過程中產(chǎn)品的溫度的不均勻。

傳統(tǒng)真空退火方式下，熱應(yīng)力問題加上抽真空動力和卷狀鋁產(chǎn)品的層間軋制油氣揮發(fā)造成了層與層之間的竄層，熱脹冷縮問題造成了層與層之間的松層，以上的串層和松層現(xiàn)象會造成大量產(chǎn)品報廢。

傳統(tǒng)真空爐的爐膽保溫材料長時間在真空與常壓環(huán)境下交替工作，以及環(huán)境溫度的變化巨大（室溫至600℃之間），造成保溫材料塌陷，局部保溫性能下降，設(shè)備性能下降速度快。為獲得高真空需要，爐殼采用的是水冷套設(shè)計，高真空和高溫的雙重影響，造成爐體結(jié)構(gòu)件易發(fā)生爐殼漏水、冷卻器漏水、爐殼腐蝕鼓包現(xiàn)象。以上現(xiàn)象，使傳統(tǒng)真空退火爐除了維修成本高之外，造成設(shè)備性能不穩(wěn)定，進一步加劇了工藝過程的波動，最終影響到產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3 保護性氣氛真空熱處理技術(shù)原理

保護性氣氛真空退火是利用由滑閥泵、羅茨泵、油擴散泵組成的三級抽真空系統(tǒng)將爐內(nèi)抽至＜5×10-2Pa 的工作真空度（極限真空度可達到＜5×10-3Pa），然后充入純度為99.99%以上的高純惰性氣體（壓力范圍0.05～0.07Mpa），并在對流攪拌條件下升溫、保溫、冷卻，最終出爐。

保護氣氛退火爐的特征及生產(chǎn)過程為：外爐殼為鋼殼及保溫磚結(jié)構(gòu)，加熱區(qū)為密封內(nèi)鋼罐，加熱帶布置在內(nèi)鋼罐外壁。生產(chǎn)方式如下：外爐殼與內(nèi)鋼罐之間為大氣狀態(tài)——將鋁產(chǎn)品放入內(nèi)鋼罐內(nèi)，關(guān)閉內(nèi)鋼罐門——對內(nèi)鋼罐抽真空——抽真空完成后內(nèi)鋼罐內(nèi)充入保護氣氛——加熱帶通過加熱內(nèi)鋼罐，進而加熱內(nèi)鋼罐內(nèi)保護氣氛——內(nèi)鋼罐內(nèi)裝有對流攪拌風(fēng)機，將加熱的保護氣氛進行強烈的攪拌，使得爐內(nèi)各個點的鋁產(chǎn)品得到均勻的加熱——達到工藝料溫要求后——強吹冷空氣通過爐殼內(nèi)鋼罐之間冷卻內(nèi)鋼罐，進而冷卻保護氣氛，再冷卻鋁產(chǎn)品，然后出爐。

4 保護性氣氛真空熱處理設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

保護性氣氛真空退火爐的主要設(shè)備包括真空系統(tǒng)、外加熱罐、內(nèi)鋼罐、強制冷卻系統(tǒng)、工件輸送系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、保護氣體分壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)過程控制采用PLC自動控制。加熱器電源采用可控硅調(diào)壓器，控溫表采用進口控溫儀。無紙化記錄儀負(fù)責(zé)記錄工作過程的真空度、溫度，控制超溫報警。真空閥門設(shè)掉電保護和安全聯(lián)鎖。水系統(tǒng)設(shè)壓強控制器。電氣控制柜上有設(shè)備運行過程的指示燈模擬顯示。分壓過程自動控制。等等。

5 結(jié)語

保護性氣氛真空熱處理設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)匯總表

加熱過程中充保護氣氛及對流風(fēng)機強對流攪拌加熱的方式，即避免了氧化對產(chǎn)品內(nèi)外在質(zhì)量的影響，同時，加熱效率和效果的提升改善，可使得爐內(nèi)均溫性達到≤4℃，產(chǎn)品品質(zhì)一致性大大提高，充保護氣體退火的方式，也使得傳統(tǒng)真空退火造成的松層、串層等問題得到了極大改善，生產(chǎn)效率得到極大提升。